一種用于碳化硅功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及高壓功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于碳化硅功率 器件的結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳化娃（SiliconCarbide，簡(jiǎn)稱SiC)作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，不但擊穿電 場(chǎng)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，在高溫、高頻、大 功率器件和集成電路制作領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。其物理特性與Si材料的比較如下表1 所示，SiC的禁帶寬度是常規(guī)半導(dǎo)體Si材料的三倍，因此具有很高的臨界移位能，這使它具 有高的抗電磁波沖擊和抗福射能力，SiC器件的抗中子能力至少是Si器件的4倍。SiC抗福 照的另一個(gè)誘人之處在于它的高溫特性和高的擊穿電場(chǎng)，它的擊穿電場(chǎng)幾乎為Si和GaAs 的10倍。其次，SiC的高擊穿電場(chǎng)使其器件設(shè)計(jì)時(shí)，器件的漂移區(qū)或基區(qū)也不必太長(zhǎng)，電阻 率不必選擇太高，通態(tài)比電阻會(huì)大大降低。與Si基器件相比，實(shí)現(xiàn)相同阻斷能力的情況下 阻斷區(qū)僅為Si基器件的1/10,而更薄的阻斷區(qū)同樣可以降低其正向?qū)娮琛Ａ硪环矫妫?SiC材料3倍于Si的高熱導(dǎo)率可以極大地降低冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性與體積，也可以在高溫下 更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。
[0003] 表1SiC/Si材料物理特性表
以傳統(tǒng)功率器件為例，其結(jié)構(gòu)中具有η型SiC襯底，在其上形成有作為漂移區(qū)的η-外 延層。器件在η-層上形成Ρ-Ν或肖特基結(jié)從而在反向偏置方向時(shí)形成阻斷電壓并在正向 偏置時(shí)提供電流流動(dòng)。
[0004] 由于結(jié)的不連續(xù)，以及在結(jié)的邊角存在曲率，從而導(dǎo)致表面電力線密集，結(jié)的外邊 電場(chǎng)強(qiáng)度比體內(nèi)高等現(xiàn)象，這在碳化硅高壓功率器件中尤為值得關(guān)注。結(jié)終端技術(shù)是緩解 結(jié)外邊沿電場(chǎng)集中效應(yīng)，提高器件擊穿電壓有效手段，主要的結(jié)終端技術(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同 可以分為邊緣延伸結(jié)構(gòu)與刻蝕臺(tái)面結(jié)構(gòu)，具體包括保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)、金屬場(chǎng)板結(jié)構(gòu)、結(jié)終端擴(kuò)展 (JTE)。場(chǎng)板終端作為結(jié)終端的傳統(tǒng)技術(shù)，成本較低，應(yīng)用廣泛。然而，在SiC器件中，由于 其在阻斷狀態(tài)的電場(chǎng)非常高，可能導(dǎo)致長(zhǎng)期的可靠性問(wèn)題。因此，場(chǎng)板終端可能不適于用 在SiC器件中。而結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)1977年由Temple在IEEETransactionsonelectron Devices上提出，目前已經(jīng)成為較主流的結(jié)終端技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)結(jié)深 的要求沒(méi)有保護(hù)環(huán)高、提高擊穿電壓的效率很高，且具有較小的器件面積，對(duì)固態(tài)高壓功率 器件有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0005] 通常JTE的形成是采用離子注入的方式在主結(jié)周?chē)纬蒔型區(qū)域。用于形成JTE 區(qū)域的注入物可以是鋁、硼或其他任何適合的P型摻雜物。然而單個(gè)區(qū)域的JTE要想實(shí) 現(xiàn)有效的消除電場(chǎng)集中效應(yīng)其對(duì)注入劑量的區(qū)間較小，所以多區(qū)結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)（MZ-JTE) 應(yīng)運(yùn)而生。
[0006] 最典型的形成MZ-JTE的方式如圖1所示，在水平方向上采用多次離子注入從而形 成具有濃度梯度的P型JTE區(qū)域，緩解電場(chǎng)集中現(xiàn)象。這種方法需要多道光刻版進(jìn)行多次 光刻/刻蝕/離子注入，而且對(duì)光刻版之間的對(duì)準(zhǔn)要求較高。
[0007]X.Li在 2001 年IEDL上報(bào)道的"Multistepjunctionterminationextension forSiCpowerdevices"中描述了一種采用多能量A1離子注入與多步刻蝕P+區(qū)/JTE相 結(jié)合從而形成MZ-MJTE的方法，如圖2所示。該方法由于P+區(qū)域與JTE區(qū)域在注入的要求 上差別很大，所以難以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控JTE區(qū)域的電荷分布。
[0008]Losee在 2004 年ISPSD上報(bào)道的 "High-voltage4H_SiCPiNrectifierswith single-implant，multi-zoneJTEtermination"中描述了一種通過(guò)不同厚度硬掩膜方法 實(shí)現(xiàn)MZ-JTE的方法，如圖3所示。該方法簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的形成MZ-JTE的方法，但該工藝對(duì)離 子注入的工藝要求高，通過(guò)不同厚度Si02硬掩膜來(lái)控制離子濃度的工藝穩(wěn)定性與工藝窗 口難以保證。
[0009]AlexanderV.Bolotnikov在 2010 年的IEDL上報(bào)道的"JunctionTermination ExtensionImplementingDrive-inDiffusionofBoronforHigh-VoltageSiC Devices"上提出了在SiC功率器件上采用調(diào)節(jié)光刻版透光區(qū)的位置與大小，在B離子注入 后高溫退火擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)水平方向上的摻雜濃度梯度分布，如圖4所示。該工藝方法有助 于實(shí)現(xiàn)相對(duì)精確的摻雜離子濃度分布，但是對(duì)退火條件要求苛刻。
[0010] 綜合上述因素，一種高效可行的用于碳化硅功率器件的結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)及制作方 法具有重大意義。本發(fā)明可以提供完整的解決方案，且工藝簡(jiǎn)單，難度要求低，適合大規(guī)模 產(chǎn)品應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于碳化硅功率器件 的結(jié)終端結(jié)構(gòu)及其制作方法，通過(guò)在主結(jié)附近形成電荷總量遞減的多區(qū)結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)， 進(jìn)而有效地緩解電場(chǎng)集中現(xiàn)象，提高器件的反向阻斷能力。
[0012] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種用于碳化硅功率器件的結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，其特征在于包括：襯底、第一傳導(dǎo)類(lèi)型 層、第二傳導(dǎo)類(lèi)型層，第一傳導(dǎo)類(lèi)型層襯底之上，第二傳導(dǎo)類(lèi)型層位于第一傳導(dǎo)類(lèi)型層之 上，第一傳導(dǎo)類(lèi)型層與第二傳導(dǎo)類(lèi)型層的界面處為主結(jié)；主結(jié)的邊緣有由第二傳導(dǎo)類(lèi)型摻 雜物形成的結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域，結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域中具有小于第二傳導(dǎo)類(lèi)型層中的摻雜物濃 度，且總電荷在縱向方向上呈現(xiàn)濃度梯度。
[0013] 所述結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域在橫向上具有不同深度的刻蝕槽結(jié)構(gòu)，其電荷總量在橫向上 隨著與主結(jié)的距離而梯度變小。
[0014]制作上述用于碳化硅功率器件的結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的方法，其步驟包含有： A.在一襯底上形成第一傳導(dǎo)類(lèi)型層； B. 在第一傳導(dǎo)類(lèi)型層表面形成第二傳導(dǎo)類(lèi)型層，在第一傳導(dǎo)類(lèi)型層與第二傳導(dǎo)類(lèi)型層 的界面處形成主結(jié)； C. 第二傳導(dǎo)類(lèi)型層在第一傳導(dǎo)類(lèi)型層表面實(shí)現(xiàn)圖形化，形成臺(tái)階形結(jié)終端； D. 在主結(jié)附近采用離子注入法注入第二傳導(dǎo)類(lèi)型摻雜物，通過(guò)圖形化過(guò)程形成結(jié)終端 擴(kuò)展區(qū)域，結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域與第二傳導(dǎo)類(lèi)型層區(qū)域存在部分重疊。
[0015] 優(yōu)選地，所述襯底為單層或多層具有不同傳導(dǎo)類(lèi)型的碳化硅半導(dǎo)體材料。
[0016] 所述第一傳導(dǎo)類(lèi)型層為淺摻雜層，第一傳導(dǎo)類(lèi)型層的摻雜物的峰電荷小于或等于 E14cm2〇
[0017] 步驟B中，所述第二傳導(dǎo)類(lèi)型層的形成可以采用離子注入法實(shí)現(xiàn)，或者采用外延 生長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)。
[0018] 步驟C中，第二傳導(dǎo)類(lèi)型層的圖形化可采用干法刻蝕的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者濕法腐 蝕的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0019] 步驟C中，第二傳導(dǎo)類(lèi)型層的圖形化的過(guò)程中存在過(guò)刻蝕，即在光刻版透光區(qū)域 的第二傳導(dǎo)類(lèi)型層被完全移除，且在該區(qū)域第一傳導(dǎo)類(lèi)型層被部分移除。
[0020] 步驟C中，得到的臺(tái)階形結(jié)終端的臺(tái)面結(jié)構(gòu)具有一定的正斜角。
[0021] 步驟D中，第二傳導(dǎo)類(lèi)型摻雜物的擴(kuò)展過(guò)程中，對(duì)摻雜物進(jìn)行退火處理，退火溫度 超過(guò)1500 °C，所述退火采用石墨或灰化光刻膠覆蓋在表面。
[0022] 步驟D中，在第二傳導(dǎo)摻雜物離子注入時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)能量多次注入同一傳導(dǎo) 類(lèi)型摻雜物從而形成濃度梯度，注入離子根據(jù)不同種傳導(dǎo)類(lèi)型進(jìn)行選擇，若為空穴傳導(dǎo)可 考慮B離子與A1離子共摻，若為電子傳導(dǎo)可考慮N離子、P離子、As離子、Sb離子共摻等。
[0023] 步驟D中，結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域的形成可以采用多次圖形化，圖形化過(guò)程可采用干法 刻蝕，或濕法腐蝕的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；在圖形化過(guò)程中，在圖形化過(guò)程中，遠(yuǎn)離主結(jié)區(qū)域相對(duì)靠 近主結(jié)區(qū)域刻蝕深度更深。
[0024] 本發(fā)明的有益效果如下： 本發(fā)明提供了一種新的用于碳化硅功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)深的要求沒(méi)有保護(hù)環(huán) 高、提高擊穿電壓的效率很高，且具有較小的器件面積，特別適用于固態(tài)高壓功率器件；該 結(jié)終端結(jié)構(gòu)的制作工藝是通過(guò)在主結(jié)附近形成電荷總量遞減的多區(qū)結(jié)終端擴(kuò)展，進(jìn)而有效 地緩解電場(chǎng)集中現(xiàn)象，提高器件的反向阻斷能力。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為傳統(tǒng)通過(guò)多次離子注入形成MZ-JTE結(jié)構(gòu)的方